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高强度各向异性的仿肌肉木材水凝胶材料前沿热点。

关键词：高强度、各向异性、木材、水凝胶、纳米流体

应用领域

生物组织工程及纳米流体

成果简介

水凝胶由于其三维(3D)网络结构、良好的灵活性、生物相容性和高含水量，已被广泛应用于多种领域，尤其其独特的结构和性能跟生物组织非常类似，是模仿天然组织用于生物医学和生物工程应用的最佳候选材料之一，如药物递送、柔软致动器、人工肌肉和软骨等。 尽管水凝胶和人体生物组织之间有很多的相似性，但与生物软组织中的水凝胶相比，人工合成水凝胶无论是在结构精度上还是在力学性能上都落后于生物系统。例如，合成水凝胶通常是通过聚合或分子组分的组装而合成的，因此通常具有无定形和各向同性的结构，力学性能也相对较差。

近年来，通过定向冷冻、反应扩散过程、静电排斥、应变或压缩诱导的重定向和自组装等方法制备了各种力学性能增强的各向异性水凝胶。但由于缺乏增强结构和有效的能量耗散机制，其力学强度大都达不到 10 MPa，结构也只是相对有序，生物相容性也有待提高。然而，有大量研究证明，大部分自然生物会通过选择高度有序的各向异性结构来构造其承重组织，从而达到一种较高的机械性能，例如肌肉、皮肤和人造软骨等组织。因此开发兼具良好生物相容性、高力学强度、高度仿生和结构导向的水凝胶具有重要的意义。

随着化石资源的枯竭和人类对环境问题的关注，生物质资源的利用和高值化转化，是当前绿色化学的重要课题。生物质因其良好的生物相容性及独特的理化性质成为制备水凝胶的理想原料。尤其是纤维素基水凝胶，因体内没有消化纤维素的酶，非常适合用于人体生物组织工程领域。因此，利用生物质为原料制备生物质基水凝胶不仅可以提高水凝胶的生物相容性，也是实现生物质高值化转化和保护环境的有效途径。木材是最丰富的生物质资源之一，全球森林覆盖率达到了30%以上。木材由木质纤维素组成 (主要是纤维素、半纤维素和木质素)，具有分层的细胞结构、高度有序的各向异性结构和高力学性能，跟人体生物组织有较多的类似性。 基于目前传统水凝胶存在的生物相容性差、力学性能差和结构无序等问题以及对生物质资源的高值化转化的需求，并受到肌肉各向异性结构的启发，该成果将强而硬的木材进行木质素全脱除处理，使得木质素包裹的纤维素暴露出大量的羟基同时保留纳米纤维素定性排列结构并引入到聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中，制备了一种独特的具有良好生物相容性、高度各向异性、高强度、高透明度、高离子导电的木材水凝胶。

研究表明，有序纤维素纳米纤维与聚合物分子链之间存在较强的氢键作用和交联结构，使得木材水凝的拉伸强度高达36 MPa, 高于很多传统的水凝胶，可以跟人体的皮肤和软骨拉伸强度相媲美，是目前报道的强度最高的水凝胶之一。此外，由有序纳米纤维素带有负电，该木材水凝胶还可以作为纳米流体管道实现类似海水淡化及生物肌肉组织的离子选择性传输功能，在低浓度的电导率为5×10-4 S/cm。该成果受自然启发的设计从模仿人体肌肉排列的微观结构开始，该材料能够平衡机械强度、灵活性、离子电导率和可伸缩制造。此外，通过改变水凝胶溶液，可以很容易地调节水凝胶的力学性能和功能，为制备各种各向异性水凝胶提供了一种有前途的方法，大大扩大其应用范围。

经济效益与社会效益

各向异性木材水凝胶具有价格低廉、柔韧性好、生物相容性好、抗拉强度高、光学透明性好、离子导电性好等优点，在生物医学器件、组织工程等软性材料等领域具有广泛的实际应用。同时，实现了对生物质资源（木材、农业废弃物和海洋材料）的绿色和高值化转化，具有重要的经济和环境效益。